高速铁路与普速铁路电力系统的分析与研究

高速铁路与普速铁路电力系统的分析与研究

杨鹏军

（中铁十二局集团电气化工程有限公司天津300308）

摘要：随着京沪高铁，武广高铁的运营，中国高速铁路的建设进入了一个发展的快速时代，速度提升的同时，供电系统也得到了很大提升。铁路电力系统作为高速铁路的动力系统也发生了很大改变。本文依据高速铁路的具体特点，对高速铁路和普速铁路的电力系统进行了分析与对比。

关键词：高速铁路；普速铁路；电力系统

引言

京沪高速铁路客运专线是一项投资大、技术含量高的高速铁路工程，随着京沪高铁客运专线正式投入运营，中国高速铁路的建设技术日臻成熟。普速铁路的配电所一般会馈出两条线路，一条作为自闭线路，另一条作为贯通线路，在铁路沿线负荷点上都设置相应的变电站，通过馈出的两条线路为各区间负荷供电;高速铁路一般每隔三千米设置一个一级负荷及二级负荷的用电点。本文主要对高速铁路与普速铁路电力系统进行分析和对比。

一、电力线路的比较

普速铁路电力贯通线一般采用架空形式，而京沪高铁全线采用全电缆形式。架空线路抵抗外力破坏的能力较电缆差，容易受到人为和自然灾害的损坏，尤其是沿海地区，风力大，又易出现洪水灾害，常常导致线路供电中断。2015年10月强台风“彩虹”就对湛江地区铁路、黎湛铁路电力架空电力线路造成严重破坏，严重影响铁路正常运行。

高速铁路电力线路采用电缆敷设方式，电缆敷设有效避免了架空线路的诸多缺点，但其不足在电缆头，所以采用三根单芯95平方米的电缆对高速铁路进行供电。单芯电缆的工作电容远大于架空线路的工作电容，铁路的贯通线的负荷较小。容要大于架空线路的工作电容，而且铁路的贯通线的负荷较小，电缆在充电过程中，充电电流会使线路末端电压升高。为了保证电压质量和设备正常运行，一般需要在贯通线的首段设置合适的并联电抗器，监测和抑制电压的升高。另外，若电缆钢带上产生涡流，导致钢铠发热，长时间运行将会烧坏电缆，故单芯电缆要采用非磁材料护铠，如采用铝铠、铝合金铠、不锈钢铠等，使其不在电缆外铠层上产生涡流。单芯电缆在敷设时，同样为了防止闭合线路产生涡流，施工时电缆必须采用非磁材料捆绑固定，在电缆穿越交通道时，若单相穿电缆管，一定要使用非磁材料管，禁止使用钢管、铁管等导磁性能好的材料。若使用铁管或钢管，则要保证是三相同穿管。

普速铁路在沿海及大风地区，同样可参考高速铁路采用电缆敷设方式，此方式不仅降低自然灾害对架空线路损害，并且减小巡检及维护时间；加之铝合金电缆的使用普及化，电缆敷设方式造价也程降低趋势，这样就给普速铁路电力线路架设提供了另外的可行方案。黎湛铁路（普速铁路）电气化改造工程中采用了部分架空线更换电缆工程，取得了不错的成果。

二、区间供电方式的比较

在普速铁路中，设置信号变电站在车站及区间负荷点上，仅车站变电站内设有远端监控终端RTU装置，可以实现一定程度的远动操作。一级负荷的低压开关的控制方式为远动控制。

在高速铁路中，区间供电一般采用的是10/0.4KV智能箱式变电站，通过一级贯通及综合贯通提供高压电源，远动作用被纳入到高压负荷开关中。当贯通线路发生故障时，可以实现故障区段的远动切除，通过铁路变配电所向贯通线路供电，保证贯通线出现故障时不会影响到一级负荷的供电。将远动作用纳入低压开关中，可以对一级负荷的低压供电进行监测，避免因长距离供电而对供电质量造成影响。为了维修及调试的方便，利用远动通道，将箱式变电站门磁、烟感探测器、通信机状态等信息上传。通过这些技术措施，提高智能箱式变电站电力供电系统的安全可靠性和维护简便性。

普速铁路的供电及远动控制方式已经不能满足现代铁路电力系统自动化管理要求，为了提高铁路电力自动化管理需求，而在近些年的普速铁路改造工程中也涌现了不少区间部分采用高铁智能箱式变电站的做法，如石太铁路改造、黎湛铁路改造等。

三、补偿的比较

由于架空电力线路出现的多数故障为瞬时故障，能够自动恢复。线路对地电容电流一般很小，正常运行时电容电流约为0.026A/km，单相接地时电容电流约为0.078A/km。60km架空线路在正常运行时，电容电流约为1.6A;单相接地时，60km架空线路电容电流约为4.7A。在普速铁路线路中，用电设备主要是照明、电机和电子类，这些用电设备基本都呈感性，通常在普速铁路变电所设置高压电容器补偿装置以提高功率因数。

在高速铁路中，由于一级负荷贯通线为全电缆线路，多数故障为永久性故障，并不能自行恢复。再者线路对地电容较大，电容电流在正常运行时约为0.33-04A/km，在单相接地时，约为1.1-1.3A/km。正常运行时，60km电缆线路电容电流约为20-24A;单相接地时，60km电缆线路电容电流约为66-78A。高铁线路的全电缆线路由于充电电流的作用，会出现容性无功倒送的情况。为此，京沪高铁采用加装电抗器补偿的方案，可以根据线路中功率因数的大小，适当进行投切电抗器，每隔12KM设置一台电抗器。除此之外，可以在两端配电所中设可投切电抗器补偿，集中解决线路中欠补偿的问题，以达到满足补偿的要求。

四、系统中性点接地的比较

在普通铁路中，贯通线为架空线，出现瞬时故障较多，故调压器通常采用的是中性点不接地系统;而在高速铁路中，电缆故障一般为永久性故障，若不能及时切除故障点，将产生过电压现象，尤其是在发生间歇性故障时，故障点将出现重燃，将产生较高的过电压。将电阻接入到中性点，给健全相的电容电荷一个转移通道，电阻是消耗功率设备，在回路中起到阻尼的作用，能够有效抑制电弧的重燃过电压，同时可以抑制铁磁谐振过电压。

在高速铁路中采用系统中性点经电阻接地方式，在瞬时性故障发生后保护动作跳闸，能够最大限度保证处在中心区接地点的人身安全，尽量减小事故影响。虽然不如在采用消弧线圈的方式下，但它能立即切除故障，极大限度保证了中心城区的人员安全，减少了事故带来的影响。

采用小电阻接地方式的优点:可以有效降低弧光接地过电压，防止谐振过电压的出现;当出现单相接地故障时，能及时准确的判断故障线路，并且在较短的时间内将故障切除掉;降低设备的耐受过电压，可以防止降低设备制造时的绝缘水平，增加系统运行的可靠性;如果中性点的接地电阻较小，当接地电弧熄灭后，零序残荷可以通过电阻泄电。当下一次燃弧再出现时，其过电压幅值与发生单相接地故障时的情况一样，不会由于多次燃弧、熄弧而使过电压幅值升高。如系统采用不接地运行方式，当发生单相接地故障时，采用选线装置寻找故障点的方式不准确，容易引发其它故障；采用手动拉试，则会影响系统供电的可靠性。采用低电阻接地后，可以通过继电保护及时动作跳闸，不在需要人工行查找切除故障点。

五、高压设备选型比较

高速铁路与普速铁路电力系统在进行高压设备的选型上有较大的不同。主要表现在:高速铁路一般选用GIS高压柜作为高压开关柜，采用SF6气体绝缘。除变压器之外，GIS高压柜中包含了变电站中的所有变电设备，包括隔离开关、接地开关、断路器、电缆终端等等;进行对比，GIS高压柜有较多优点:灭弧能力强，大大节省了空间，能实现模块化、安装更加简单快速，工程项目的周期短，不易受到外部侵害。此外，高压电缆头形式上采用的是全密封式插接式，选择了插接式避雷器，它具有良好密封性;电压互感器通常采用外置式，以方便检查和维护，减少了占用空间。在调压器和变压器均采用的是干式，不仅减少了维护量，又能有效防止爆炸事故。

六、结束语

京沪高铁电力系统的贯通线为全电缆线路，包括一级贯通和综合贯通。采用在两端配电所设可投切电抗器来进行补偿，集中解决电力线路中欠补偿的问题。中性点采用小电阻接地方式，通过继电保护动作跳闸。在高铁线路中应用GIS气体高压开关柜进一步提高了供电的便捷性和可靠性。

参考文献：

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